Как понятно из названия геотермальные электростанции (ГеоЭС) используют внутреннее тепло Земли для получения электрической и тепловой энергии. Как Вы помните греческая богиня Земли и супруга Зевса звалась Гея отсюда название. Для наглядности освещения вопроса напомню строение Земли. Наша планета представляет собой шар (точнее геоид, что означает земле подобный, т.е. имеющий форму Земли. Это приплюснутый с полюсов шар, вернее шаровое яйцо, с северного полюса расширенное, с южного зауженное). Средний радиус - 6371 км. Скорлупа этого «яйца» - земная кора, мощностью от 5 км под океанами и до 70 км на материках. В среднем кора составляет 0,6% от длины земного радиуса. Ниже находится мантия, которая делится на верхнюю и нижнюю. (Некоторые ученые выделяют среднюю мантию.) Ниже глубины 2900 км располагается ядро, которое делят на нижнее и верхнее. Считается что внутреннее (нижнее) ядро железо-никелевое, а внешнее сложено сверхплотными силикатами с высоким содержанием железа и никеля. Температура нижнего ядра достигает 6000 градусов Цельсия. Возможно там протекают ядерные реакции. Так это или нет, судить трудно. Ведь основным методом изучения строения Земли является сейсморазведка. Регистрируя скорости прохождения упругих колебаний (сейсмических волн), а также параметры отраженных волн от поверхностей разной плотности определяют свойства сред, через которые эти колебания проходят.
Но нас интересует только земная кора. На континентах она состоит из: осадочного, гранитного и базальтового слоев. Осадочный слой сложен: песками, песчаниками, глинами, известняками, каменной солью и т.д. Мощность его варьируется от 0 до 10-15 км, редко более. Гранитный, или гранитно-гнейсовый слой имеет мощность 30-40 км, сложен гранитами, гранодиоритами, гнейсами, слюдистыми сланцами и др. В некоторых местах эти породы выходят на дневную поверхность: Кольский и Скандинавский полуострова, в некоторых районах Африки, Австралии, Азии, Америки и Индии. В основании земной коры залегает базальтовый или гранулито-базальтовый слой мощностью от 10 до 35-40 км. Он нигде не выходит на дневную поверхность. Считается что он сложен магматическими породами типа базальта и габбро.
Под океанами отсутствует гранитный слой, а мощность коры колеблется от 5 до 10-15 км, и состоит из: осадочного (0,5-1,5 км), базальтового (около 5 км) и габбро-серпентинитового слоев.
Континентальная и океаническая части земной коры составляют 80-85% всей площади Земли, 15-20 процентов составляет промежуточная кора, имеющая свойства и континентальной, и океанической. Она присуща островным дугам (Курильские, Японские, Антильские острова) окраинным (Охотское, Японское) и внутренним (Средиземное, Черное) морям.
Самый верхний слой верхней мантии называемый астеносфера (слой Гутенберга), примыкающий к нижней поверхности земной коры имеет температуру примерно 600-800 градусов Цельсия. Граница между этими слоями четко выражена и называется границей Мохоровичича или Мохо. (Она названа в честь югославского геофизика А. Мохоровичича (1857-1036), открывшего ее в 1910 г., но англосаксы и прочие «цивилизованные» европейцы не могут выговаривать две буквы «чэ» в фамилии автора. Предполагают, что такая особенность романо-германских языков связана с повсеместным распространением в Западной Европе венерических заболеваний в Средние века.)
Советский ученый, киевский профессор С.М. Григорьев объяснил образование границы Мохо отложением солей, переносимых перегретыми растворами и водой. Свое учение автор назвал «дренажной оболочкой». Остановимся на некоторых его аспектах.
Известно, если бросить соль в воду, ее температура кипения – превращения в пар - повысится, т.е. рассол кипит при более высокой температуре. Если повысить давление, например, с помощью скороварки, температура кипения повысится. Для чистой воды температура перехода в пар при повышенном давлении равна 375,15 градуса Цельсия - это абсолютная температура кипения. Переход воды в пар возможен только при давлении ниже 218,5 атмосфер. При давлении выше названного пар при любой температуре нагревания конденсируется в воду. Вода в земной коре постоянно циркулирует в виде пара и рассолов. Граница конденсации паров лежит на глубине 15-20 км от поверхности суши и в 5-10 км ниже дна океана. Вода образует растворы, которые погружаются ниже к границе где температура 425-450 градусов Цельсия (растворы имеют более высокую критическую температуру), это происходит на глубине 35-40 км, где превращаются в пар и поднимаются, неся вверх вещества, которые образуют поверхность Конрада.
(Я прошу прощения у Читателя за большое количество специальных терминов, в геологии и в медицине их больше всего по сравнению с другими науками. И хотя ДЗЭН рекомендует приводить цитаты, ссылки на источники и т.д. и т.п. думаю это излишне. Чтиво должно быть легким. Могу лишь заверить, что приводимые материалы достоверны.)
О дренажной оболочке Григорьева рассказано с двоякой целью: во-первых, максимально познакомить Читателя с некоторыми геологическими воззрениями, во-вторых конкретизировать температурный режим на различных глубинах в недрах Земли. Доступные источники информации и прежде всего интернет приводят сильно разнящиеся данные. Так на границе астеносферы температура колеблется от 600 до 800 градусов Цельсия.
Надеюсь Читатель получил некоторое представление о температурном режиме земных недр и местах их наиболее целесообразного вовлечения в хозяйственную деятельность человека. Использование тепловых ресурсов имеет ряд преимуществ: - неисчерпаемость;
- широкое распространение;
- близость к потребителю;
- локализация в удаленных регионах нашей страны.
Термальные источники используются не только для получения электроэнергии, но для обогрева жилья и теплиц, а также в бальнеологических лечебницах. Хорошо известно об использовании термальных вод в Исландии, в частности в Рейкьявике, мы имели возможность видеть несколько научно-популярных и документальных фильмов об этом. Меньше информации о нашей Камчатке и США (долина гейзеров), Японии, Мексике и т.д.
Активные исследования в области геоэнергетики начались в нашей стране в середине 60-х годов прошлого столетия, когда была создана Лаборатория по изучению геотермальных ресурсов в Петропавловске-Камчатском. В 1967г. была пущена Паужетская ГеоЭС, а на следующий год Паратунская ГеоЭС, началось строительство Мутновского геотермального комплекса.
После большого перерыва (35 лет) на Камчатке построены 5 энергоблоков Верхне-Мутновской и Мутновской ГеоЭС и разработана вторая очередь ГеоЭС на более высоком технологическом уровне. Важно, что эти ЭС включены в энергосистему Камчатки. В связи со скорым открытием Северного морского пути этому восточному региону отводится важное военно-политическое и экономическое значение. Здесь базируются наши подводные лодки, несущие боевое дежурство в Тихом океане.
Особо приятно отметить, что подземное тепло используется не только в электроэнергетике, но и в бытовых целях. Служба подводников чрезвычайно тяжелая, их семьи также несут тяготы сурового северного климата, не сладко и гражданскому населению. Здесь на р. Паратунка открыты бальнеологическая лечебница, санаторий и база отдыха. Налажено теплоснабжение: - жилых и промышленных предприятий; - тепличных хозяйств по выращиванию овощей и фруктов, разведению лососёвых рыб.
Не могу удержаться, расскажу о личных впечатлениях от «бальнеологических» процедур. В 73г. нас студентов вывезли на сельхоз работы (в то время это была обычная практика). Условия проживания были спартанские, спали на полу в неотапливаемых нежилых помещениях, погода стояла прохладная, по ночам заморозки, работа тяжелая и бестолковая-собирали хлопок, которого не было, кормили плохо. Единственной отрадой был бассейн с горячей водой. Бассейн небольшой примерно, 3 на 2 метра, глубиной менее метра. Он наполнялся горячей водой (около 40-42 градусов Цельсия) вытекавшей из небольшой 3-х дюймовой трубы. Видимо скважину не очень глубокую пробурили сами колхозники. Куда стекали излишки воды сказать не могу, не обращал внимания. Но какое же это наслаждение окунуться в горячую воду после трудового дня, понежиться 10-15 минут (больше не выдерживали-горячо), согреть замерзшее за день тело. До сих пор вспоминаю это блаженство. Но это лирическое отступление.
К началу 2000-х годов в РФ создано геотермальное машиностроение, которое обеспечило оборудованием не только 15 электрических и тепловых станций на Камчатке и Курильских островах, но и экспортируется в Латинскую Америку. Мутновская ГеоЭС признана лучшей геотермальной станцией в мире по экологическим параметрам и уровню автоматизации.
При этом себестоимость электроэнергии ГеоЭС остается высокой, хотя и на 30-50%, а некоторых случаях и в разы ниже чем на других электростанциях ВИ энергии (приливных, ветровых, солнечных). Преимуществом же является высокий (до 90%) коэффициент использования мощности и сравнительно не высокие капитальные вложения (800-2000 долл. США на 1 кВт).
Не стану хвалить наших зарубежных коллег-конкурентов. Они во многом опережают наши скромные достижения. Это связано с тем, что для развития геотермальной отрасли необходимо, прежде всего, наличие дешевых технологий глубокого бурения. Как Вы знаете, здесь у нас не все гладко. Не хватает технологий и оборудования даже для разведочного и промышленного бурения на нефть и газ, которые составляют львиную долю бюджета страны. Особенно тяжелая ситуация сложилась после введения США экономических санкций. Ну ничего, прорвемся.
Поговорим об экологии. ГеоЭС, как видно из выше изложенного располагаются в районах повышенной сейсмической и вулканической деятельности. В результате работы этих станций возможно усиление сейсмической активности, проседание грунта, изменение уровня грунтовых вод, выделение отравляющих газов, а тепловые выбросы в атмосферу в 2-3 раза больше чем от АЭС и ТЭС. Термальные воды из-за сильной минерализации экологически не безопасны. Теплые сбросные воды могут негативно сказаться на нересте рыб. Словом, может быть много известных и еще не придуманных экологами препятствий для развития ГеоЭС, поэтому конструкцию последних нужно совершенствовать.
Известны два способа использования термальных вод: - фонтанная и – циркуляционная. При первом вода сбрасывается в окружающую среду; при втором – закачивается обратно в пласт. Закачка воды обратно в пласт весьма перспективна, но мало изучена.
Необходимо отметить, что ГеоЭС сбрасывают в атмосферу парниковых газов в 700-1000 раз меньше чем ТЭС, работающие на угле или мазуте и в 200-500 раз меньше чем работающие на газе. Сброс углекислого газа в атмосферу на ГеоЭС минимальный, а на станциях с обратной закачкой воды вовсе исключен. (По современным воззрениям этот газ ответствен за создание парникового эффекта на планете.)
В заключение хочется отметить, что геотермальные ресурсы широко распространены в нашей стране. К уже рассмотренным районам необходимо добавить Чукотку на границе с Камчаткой, Северный Кавказ, Краснодарский и Ставропольский края, Калининградская область и т.д. Здесь освоение тепла Земли идет в настоящее время. Большие запасы термальных вод разведаны в Западной Сибири, но они залегают на большой глубине 1-3 км и их освоение в настоящее время экономически не целесообразно.
